Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Пастеризационно-охладительная установка ОПУ-2М для пастеризации молока

Содержание.

Введение………………………………………………………………………………………….4

1.Общая схема пастеризационно – охладительной установки и особенности конструиро-

вания пластинчатых теплообменников……………………………………………………………….5

Принцип конструирования, особенности и классификация пластинчатых

Теплообменников………………………………………………………………………………………..5

Структура и основные схемы компоновки многопакетных пластинчатых аппаратов………..8

Расчёт комбинированного пластинчатого аппарата для пастеризации и охлаждения

Молока……………………………………………………………………………………………..9

Тепловые балансы, определение недостающих начальных и конечных

температур теплоносителей. Определение тепловых нагрузок………………………………..11

Определение средних температурных напоров…………………………………………………14
Выбор скоростей продукта и рабочих жидкостей………………………………………………15
Определение теплофизических характеристик молока и рабочих жидкостей, расчёт

режимов движения………………………………………………………………………………16

Расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи………………………………………….18
Расчёт рабочих поверхностей, числа пластин и числа пакетов. Компоновка

секций в аппарате. Поверочный расчёт………………………………………………………….21

Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника…………………………………… .27
Конструктивный расчёт…………………………………………………………………………..28
Список литературы……………………………………………………………………………….31

Введение

Пластинчатые аппараты для тепловой обработки различных жидких сред являются одними из прогрессивных типов жидкостных теплообменников непрерывного действия.

Пластинчатые теплообменники с поверхностью теплообмена от 3 до 320 м², работающие при давлении до 1,0Мн/м² и температуре от минус 20 до плюс 140⁰С, используются в качестве холодильников, подогревателей, конденсаторов и дефлегматоров. В отношении компактности, производительности и интенсивности теплопередачи пластинчатые теплообменники не имеют себе равных. То же можно сказать и об условиях очистки рабочих поверхностей от пригара и отложений, имеющих первостепенное значение при эксплуатации аппарата. Благодаря разборности конструкции, составленной в основном из стандартных штампованных пластин, оказываются возможными оперативные перекомпоновки аппарата для осуществления любых схем работы, определяемых условиями ведения технологического процесса

Таким образом, конструктивные, технологические и эксплуатационные достоинства пластинчатых аппаратов способствуют все более широкому применению их как в химической технологии, так и на предприятиях пищевой промышленности, где они заняли господствующее положение в линиях обработки молока, молока, вина, фруктовых соков, минеральных вод.

1. Общая схема пастеризационно–охладительной установки и особенности конструирования пластинчатых теплообменников.

Современные пластинчатые пастеризационно – охладительные установки представляют собой сложные в техническом отношении комплексы, включающие пластинчатый аппарат, необходимое вспомогательное оборудование и средства автоматизации, обеспечивающие контроль и регулирование работы установки в целом. Серийно выпускаемые охладительные пастеризационные установки различных типов отличаются в основном различной производительностью. В отношении же сочетания отдельных частей установок , состава вспомогательного оборудования и его взаимодействия с пластинчатым аппаратом эти установки имеют много общего, если они имеют одинаковое технологическое назначение. Так, например, для пастеризации молока и сливок используют установки типа ОПУ- 1(2, 3М, 5М, 10, 15) соответственно производительностью 1000 л/час (2000, 3000, 5000, 10000, 15000). Аналогичные установки работают в линиях производства кисломолочных продуктов и пастеризации молока.

Принцип конструирования, особенности и классификация пластинчатых теплообменников.

Принцип построения разборного пластинчатого теплообменника состоит в том, что пластины одинакового размера располагаются в пространстве параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин образуется небольшой зазор, который выполняет функции канала для жидкости, подвергаемой нагреванию или охлаждению. В простейшем случае пластина может быть плоской и прямоугольной, а теплообменник может состоять из трёх пластин, а по-другому рабочая среда, играющая роль тепло – или хладоносителя.

Рис. 1 Схема пластинчатого аппарата.

Рама теплообменника (Рис. 1) состоит из неподвижной плиты (1), стойки (4), верхней (2) и нижней (7) направляющих, подвижной плиты (3) и комплекта стяжных болтов (8).

Верхняя и нижняя направляющие крепятся к неподвижной плите и к стойке. На направляющие навешивается подвижная плита (3) и пакет пластин (5,6). Неподвижная и подвижная плиты стягиваются болтами. У одноходовых теплообменников все присоединительные штуцера расположены на неподвижной плите.

Контурная резиновая прокладка (Рис. 2) охватывает два угловых отверстия, через которые проходит поток рабочей среды в межпластинный канал и выходит из него, а через два других отверстия, изолированных дополнительно кольцевыми уплотнениями, встречный поток проходит транзитом.

Система уплотнительных прокладок пластинчатого аппарата построена так, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две системы каналов:

Одна для нагреваемой жидкости, другая для теплоносителя. Одна из этих систем состоит из нечётных каналов, а другая – из чётных, благодаря чему потоки греющей и обогреваемой жидкостей чередуются. Обе системы каналов соединяются со своими штуцерами для входа и выхода

Преимущества пластинчатых теплообменников:

Параллельная расстановка плоских в целом пластин с малыми промежутками между ними позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно, что приводит к значительному уменьшению габаритов пластинчатого аппарата по сравнению с другими типами жидкостных теплообменников.

Кроме того, пластинчатый теплообменник может быть легко разобран. Для этого отвинчивают зажимной винт, отодвигают нажимную плиту и перемещают, если требуется, пластины по штангам в пределах образовавшегося свободного пространства, осматривают, чистят и моют.

Следует отметить, что пластинчатый теплообменник может быть охарактеризован не только как разборный, но и как наборный. Он построен на принципе, который позволяет осуществлять различные компоновочные варианты схем аппарата, допускает лёгкое увеличение рабочей поверхности не только проектируемого, но и уже используемого теплообменника. В таких теплообменниках на одной станине располагают секции различного назначения для выполнения в одном аппарате всего комплекса операций тепловой обработки жидкого пищевого продукта.

Пластины современных пластинчатых теплообменников снабжены на поверхности различными элементами, вызывающими искусственную турбулизацию потока. Благодаря этому коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах значительно превосходят аналогичные коэффициенты в трубчатых и змеевиковых аппаратах. Наличие узких каналов между пластинами позволяет обработать продукт в тонком слое при малых температурных напорах (до 1,5 ÷ 2 ⁰С), предотвращая его пригорание.

Недостатки пластинчатых теплообменников:

Пластинчатых теплообменники имеют большое число и большую протяжённость уплотнительных прокладок, замена которых представляет собой довольно трудоёмкий процесс. Кроме того, прокладки из пищевой резины не обладают высокой термической стойкостью и используются при температурах теплоносителей не выше 140 ⁰С. Принятая система уплотнения в пластинчатых аппаратах ограничивает и величину приемлемых давлений, которые не могут превышать 2,2 МПа.

Классификация пластинчатых теплообменников:

- По назначению: нагреватели, охладители, регенераторы, аппараты комплексной тепловой обработки;

- по виду теплоносителя: водообогреваемые, парообогреваемые;

- по виду хладоносителя: охлаждаемые водой, охлаждаемые рассолом, охлаждаемые водой и рассолом;

- по числу секций: односекционные, двухсекционные, многосекционные или комбинированные;

- по взаимному направлению движения жидкостей: прямоточные, противоточные;

- по конструкции пластин: с узкими зигзагообразными каналами, с сетчатыми каналами;

- по виду зажимного механизма: с одновинтовым механизмом, с двухвинтовым механизмом, с гидравлическим зажимом;

- типу выдерживателя: с выносным выдерживателем, с встроенным выдерживателем.

1.2.Структура и основные схемы компоновки многопакетных пластинчатых аппаратов.

Элементом схемы сложного теплообменника является канал между двумя соседними пластинами, условно изображаемый на схемах отрезком прямой линии. Жидкость, входящая в аппарат, попадает, прежде всего, в продольный коллектор, по которому она проходит до ближайшей пластины с заглушенным угловым отверстием. Из коллектора жидкость распределяется по нескольким параллельным каналам. Совокупность нескольких каналов, по которым данная жидкость течет в одном направлении, называется пакетом.

Пакет представляет собой гидравлический элемент аппарата. Общее гидравлическое сопротивление рабочей части аппарата равно сумме гидравлических сопротивлений пакетов и при одинаковых пакетах и равных сопротивлениях в них будет величиной, кратной сопротивлению одного пакета.

Пакет всегда ограничен пластиной, имеющей неполное число угловых отверстий (менее 4). Такие пластины называются граничными.

По выходу из первого пакета жидкость попадает в противоположный коллекторный канал и продвигается по нему вдоль аппарата до очередной граничной пластины, после чего распределяется по каналам второго пакета. Во втором пакете жидкость движется в направлении, противоположном её движению в первом пакете. Теплоноситель, движение которого обычно обозначают пунктирной линией, поступает в аппарат, как правило, с противоположной стороны так, чтобы в теплообменнике был общий противоток, проходит в свой коллекторный канал и движется затем в межпластинных каналах, смежных с каналами для продукта.

Компоновка каналов для теплоносителя и рабочей жидкости может осуществляться в трёх вариантах:

Каналы для рабочей жидкости скомпонованы одинаково с каналами для продукта. Такую компоновку теплообменника называют симметричной (рис.3, а). При симметричной компоновке рабочая жидкость проходит последовательно такое же число пакетов, как и продукт.
Все каналы для рабочей жидкости соединены параллельно и образуют один общий пакет, охватывающий зону всех пакетов для продукта (рис.3, б). Особенностью этой компоновки является то, что при ней начальная температура тепло – или хладоносителя для всех пакетов со стороны продукта одинакова.
Число пакетов со стороны рабочей жидкости неодинаково с числом пакетов со стороны продукта (рис.3, в).

При разработке схем пластинчатых теплообменников компоновку аппарата часто условно обозначают дробью. В числителе её стоит сумма цифр, число которых показывает количество последовательно соединённых пакетов по тракту продукта, а значение каждой из цифр – количество параллельных межпластинных каналов в пакете (по ходу движения продукта на схеме). В знаменателе дроби стоит сумма цифр, обозначающих число пакетов и каналов в них по тракту движения рабочей жидкости. Обозначения такого вида называют формулами компоновки. Для схем, приведенных на рис.4, формулы компоновки будут следующими:

продукт

теплоноситель

продукт

теплоноситель

продукт

теплоноситель

продукт

теплоноситель

продукт

теплоноситель теплоноситель

Рис. 4 Схема компоновки многопакетных пластинчатых теплообменников:

а – симметричная; б – все каналы для рабочей жидкости соединены в один пакет; в – число пакетов со стороны рабочей жидкости меньше числа пакетов со стороны продукта.

Теплообменник может быть скомпонован так, что его крайние каналы будут заполнены рабочей жидкостью или продуктом. Во втором случае продукт будет принимать или отдавать тепло только через стенку одной из пластин, а другая пластина будет лишь изолировать его от нажимной плиты или стойки. Такие пластины, замыкающие собой секцию, называются концевыми.

Многосекционным или комбинированным теплообменником называют аппарат, в котором тепловая обработка продукта происходит по зонам с использованием различных тепло – и хладоносителей. В этом случае структура комбинированного пластинчатого теплообменника компонуется по схеме: аппарат – секция – пакет – канал. Примером комбинированного теплообменника для комплексной тепловой обработки жидких пищевых продуктов служит пластинчатый аппарат для пастеризации и охлаждения молока.

2.Расчёт комбинированного пластинчатого аппарата для пастеризации и охлаждения молока (ОПУ-2М).

Исходные данные:

Производительность аппарата G_м = 2000 л/час

Начальная температура молока t₁ = 36 ⁰С

Температура пастеризации t₃ = 76 ⁰С

Температура молока после секции водяного охлаждения t₅ = 28 ⁰С

Температура охлаждённого молока t₆ = 5 ⁰С

Начальная температура горячей воды t^нг.в = 79 ⁰С

Начальная температура охлаждающей воды воды t^нохл.в = 10 ⁰С

Начальная температура рассола (25% р-р NaCl) t_р = -5 ⁰С

Коэффициент регенерации теплоты ε = 0,7

Расход холодной воды G_х.в = 12 м³ /час

Расход рассола G_р = 4 м³ /час

Кратность горячей воды n=4

Аппарат спроектировать на основе пластин П-2 с гофрированной поверхностью и следующими основными данными:

Рабочая поверхность пластины f = 0,21 м²

Зазор между пластинами h = 0,003 м

Толщина пластины δ_ст = 0,00125 м

Ширина проточной части b = 0.315 м

Коэффициент теплопроводности материала пластин λст =15,12 Вт /мК

Начальное давление молока 6ат

Противодавление на выходе 5ат

Порядок расчёта.

Наметим принципиальную схему комбинированного аппарата, состоящего из четырёх секций: регенерации (1), пастеризации нагревания молока горячей водой (2), водяного охлаждения (3), и охлаждения его рассолом (4).

Условная схема изменения температур теплоносителей для всех секций теплообменника представлена на рис.5.

Рис.5. Условная схема изменения температур теплоносителей четырёхсекционного комбинированного теплообменника:

профиль изменения температур продукта (молока);

------------ профиль изменения температуры греющего теплоносителя (горячей воды) и хладоагента (рассола).

I – секция регенерации

II – секция пастеризации

III – секция водяного охлаждения

IV – секция рассольного охлаждения

2.1. Тепловые балансы, определение недостающих начальных и конечных температур теплоносителей. Определение тепловых нагрузок.

Секция регенерации (I).

Уравнение теплового баланса:

, (1)

где Q_рег - тепловой поток, переданный молоку в зоне регенерации, Вт;

C_пр – средняя теплоёмкость продукта - молока, Дж/кгК;

t₁, t₂ - начальная температура сырого продукта и продукта после секции регенерации, ºC; t₃, t₄ - температура пастеризации и температура пастеризованного продукта после секции регенерации, ºC.

Эффективность работы секции регенерации характеризуется коэффициентом регенерации ε, представляющим собой отношение теплового потока Q_рег, переданного продукту в секции регенерации, к общему потоку теплоты Q_о, затраченному на нагревание продукта от начальной температуры t₁ до температуры пастеризации t₃

. (2)

Из уравнения (2), пренебрегая незначительным изменением средней теплоёмкости продукта C_пр, выразим температуру сырого продукта после секции регенерации t₂:

(ºC). (3)

Температура пастеризованного продукта после секции регенерации из уравнения (1)

(ºC). (4)

Тепловая нагрузка секции регенерации:

(Вт). (5)

Средняя температура продукта в секции регенерации:

(ºC).

где t₃- температура пастеризации, ⁰С;

t₆ - температура охлажденного молока .

Производительность аппарата - G_п = 2000л /час

ρ_пр^{36
С} = 1.000 кг/л = 1000 кг/м³

Массовый расход продукта:

G_пр = 2000 · 1.000 = 2000 кг/ч

t _пр.ср = (t₁ + t₂) / 2 = (76 +64) / 2 = 70 ⁰C,

где t₁- начальная температура молока, ⁰С;

t₂ - температура сырого молока после секции регенерации, ⁰С

С_пр^{70
С} = 3880 Дж/кгК

Тогда тепловая нагрузка секции регенерации:

Q_рег = 2000 / 3600 · 3880 (64 – 36) = 60355,56 Вт

Секция пастеризации (II).

Уравнение теплового баланса:

G_г.в. · C_г.в. (t^н_г.в. – t^к_г.в.) = G_пр · С_пр (t₃ – t₂) = Q_п, (6)

где G_г.в - массовый расход горячей воды, кг /с;

C_г.в. - теплоёмкость горячей воды [4], Дж / кг К;

t^н_г.в.; t^к_г.в.) - начальная и конечная температуры горячей воды, ⁰С;

Q_п - тепловая нагрузка секции пастеризации , Вт.

Воспользуемся понятием кратности рабочей среды n , которая для секции пастеризации представляет собой отношение массового расхода горячей воды к массовому расходу продукта:

. (7)

Массовый расход горячей воды G_гв:

=2000*4/3600=2,22кг/с

ρ_г.в^{76 С} = 0.9842 кг/л = 984 кг/м³

n_г.в = 4

Средняя температура продукта секции пастеризации

(ºC).

С учетом уравнения (7) найдем из выражения (6) температуру горячей воды на выходе из секции пастеризации:

t_г.в^к = t_г.в^н – С_пр / (n_г.в · С_г.в) · (t₃ – t₂) (8)

C_г.в^{79
C} = 4190 Дж / кгК

t_г.в^к = 79 – 3856 / (4 · 4190) · (76 – 64) = 76,24 ⁰С

C_пр^{70
C} = 3856 Дж / кгК

Тепловая нагрузка секции Q_п:

(Вт).

Секция водяного охлаждения (III)

Уравнение теплового баланса:

t_х.в^к = t_х.в^н + С_пр / (n_х.в · С_х.в) · (t₄ – t₅)

t_х.в^к = 71+ 3900 / (6 · 4180) · (48 – 28) = 16,22 ⁰С

Тепловая нагрузка секции водяного охлаждения

Вт

Секция рассольного охлаждения (IV)

Уравнение теплового баланса:

, (9)

где G_р - массовый расход рассола, кг/с;

С_р – теплоёмкость рассола, Дж/кг К;

t_р,н; t_р,к- начальная и конечная температура рассола , ⁰С ;

Q_р - тепловая нагрузка секции рассольного охлаждения, Вт

Кратность рассола:

(10)

Массовый расход рассола:

ρ_р^{-5
С} = 1.183 кг/л = 1183 кг/м³

С_р^{-5
С} = 3329 Дж / кгК

G_р = 5000 л/час · ρ_р^{-5
С} = 4000 · 1.183 = 4,732 кг/ч = 1, 31 кг/с

n_р = 4000/ 2000 = 2

Конечная температура рассола на выходе из секции:

t_р^к =t_р^н – С_пр / (n_р · С_р) · (t₅ – t₆) (11)

С_пр = 3329 Дж / кгК

С учетом кратности рассола (n_р = 2) определим из уравнения (9) конечную температуру рассола на выходе из секции

t_р^к = -5 + 3880 / (2 · 3329) · (28 – 5) = 8,4 ⁰С

Тепловая нагрузка секции рассольного охлаждения:

(Вт). (12)

2.2.Определение средних температурных напоров.

Секция регенерации теплоты (I).

Т.к. температурные напоры на входе Δt₁ и на выходе Δt₂ из секции регенерации теплоты одинаковы

Δt₁ = t₄ - t₁= 48 – 36 = 12 ºC,

Δt₂ = t₃ - t₂= 76 – 64 = 12 ºC,

средний температурный напор Δt_рег = 28 ºC.

Секция пастеризации (II)

Δt_б = t^к _гв - t₂= 76,24 – 64 = 12,24 ºC,

Δt_м = t^н _гв - t₃= 79 – 76 = 3 ºC.

Т.к. , то

ºC (13)

Секция водяного охлаждения (III)

Δt_б =t₄ -t^к _хв = 48 – 16,22 = 31,78 ºC,

Δt_м = t₅- t^н _хв = 28 – 10 = 18 ºC.

Т.к. , то

ºC

Секция рассольного охлаждения (IV) .

Δt_б = t₅ – t_р^к = 28 – 8,4 = 19,6 ºC,

Δt_м = t₆ – t_р^н = 5 – (-5) = 10 ºC.

Т.к. , то

ºC (14)

2.3. Выбор скоростей продукта и рабочих жидкостей.

При заданной производительности аппарата и выбранном типе пластин (П- 2) скорость потока молока и компоновка пакета (число параллельных каналов в нём ) связаны друг с другом , т. е. выбор одного из этих параметров определяет значение другого.

Пастеризационно-охладительная установка ОПУ-2М для пастеризации молока